利用氮化鎵場效應晶體管和LM5113半橋驅(qū)動器實現(xiàn)的功率及效率

應用于射頻（RF）放大器的包絡跟蹤（ET）并不是一個全新的概念，但隨著我們需要移動電話具備更長的電池壽命、基站需具備更高電源效率，以及昂貴的射頻傳送器需要實現(xiàn)更大輸出功率，使用包絡跟蹤來改善射頻功放（PA）系統(tǒng)的效率逐漸成為了研發(fā)的重要議題。包絡跟蹤能否提高效率關鍵在于功放的峰值與平均功率比（PAPR）的要求。圖1展示了在使用固定的供電電壓時，功放的峰值效率可以高達65%，但由于給定的峰均比（PAPR）高達10，因此，平均效率有可能低于25%。通過調(diào)制功放的供電電壓，可改善功放平均效率達50%以上——相當于效率增長達一倍和減少功放損耗達三分之二。這樣不僅降低功耗，也降低操作成本，并滿足散熱及尺寸等各方面的要求。

但如何能夠產(chǎn)生所要求的快速變化、帶寬處于數(shù)十兆赫茲（MHz）范圍的供電電壓？我們可以通過不同的方法來實現(xiàn)。其中一個方法是使用如圖2所示的混合式線性放大器和多相降壓轉(zhuǎn)換器，其中降壓轉(zhuǎn)換器只給負載組件/系列的傅里葉大功率、低頻部分供電。我們也有討論其他實現(xiàn)方法，如使用升壓轉(zhuǎn)換器或S類放大器。無論使用哪一個方法，氮化鎵技術可以推動包絡跟蹤轉(zhuǎn)換器和寬帶RFPA設計。

實現(xiàn)多相降壓轉(zhuǎn)換器通常要求開關頻率與所需ET帶寬相比高出5至10倍，不過對通過混合解決方案和/或非線性控制來提升轉(zhuǎn)換器有效帶寬的研究表明，這種方法可以顯著降低所需的降壓轉(zhuǎn)換器開關頻率。為了達到可接受的效率和帶寬，仍然有可能要求使用大量的交織相位。本文展示氮化鎵場效應晶體管并配合LM5113半橋驅(qū)動器可容易地實現(xiàn)的功率及效率。

圖1：理想功放效率與使用固定供電電壓時輸出功率及包絡跟蹤工作時的比較。

圖2：在射頻功率放大器作包絡跟蹤供電時，實現(xiàn)線性輔助開關。

實驗裝置

要實現(xiàn)包絡跟蹤需要高PAPR比，這也意味著平均輸出電壓通常在降壓轉(zhuǎn)換器供電電壓范圍的30%至50%之間，并允許在這個平均值以上及以下有短暫的漂移時間。因此，作為演示用途，可以使用具有相同占空比的穩(wěn)態(tài)降壓轉(zhuǎn)換器來確定多相包絡跟蹤降壓轉(zhuǎn)換器對效率和熱性能的要求，這個可以進一步簡化為對單相評估，因為所有相數(shù)都是完全相同的。

表1列出了該實驗裝置的規(guī)格，而圖3以圖像展示該設置。這些規(guī)格代表基于高壓LDMOS的數(shù)字視頻廣播（DVB）發(fā)射機所使用的大功率包絡跟蹤降壓開關的要求，例如包絡跟蹤專家Nujira所使用的規(guī)格。圖3展示了在滿功率時每個元件的功率損耗估值，包括PCB內(nèi)部的傳導損耗。

本文所載的是從標準PC9002或EPC9006開發(fā)板出發(fā)所得出的結(jié)果。選擇這些開發(fā)板是因為100V器件性能及易于使用，并基于它們相對的晶片大小選擇相應的工作頻率。為了改善標準開發(fā)板的熱性能表現(xiàn)，在氮化鎵場效率管上增加一個面積為15平方毫米、高為9.5毫米的翅片式散熱器。散熱器數(shù)據(jù)手冊記載的熱阻值在200 LFM時，約為12 ℃/W。在散熱器超過一半面積上使用GapPad GP 1500 （60mil厚），將散熱器固定到電路板上，而覆蓋氮化鎵場效應管的面積部分則使用兩層Sarcon 30x-m進行填充。將散熱器位置調(diào)整到剛好覆蓋氮化鎵場效應管，以方便使用熱紅外（IR）相機測量與器件直接相鄰的PCB溫度。然后利用覆蓋有粘性銅帶的絕緣聚酰亞胺層，將輸出電感和輸出電容放置在各個相關開發(fā)板的底部，形成輸出連接。為gating信號提供使用HP8012B脈沖發(fā)生器的開環(huán)。接著增加有源負載，然后在零至滿載范圍內(nèi)進行掃描。效率可以使用開發(fā)板上的Kelvin檢測點和輸出電容端的附加Kelvin點進行測量。在每個測量點調(diào)整輸入電壓和占空比。

表1：給包絡跟蹤應用的實驗性高頻降壓轉(zhuǎn)換器規(guī)格。

電感損耗

兩個轉(zhuǎn)換器的效率結(jié)果如圖5所示，這包括兩個案例中約為100 mW的驅(qū)動器損耗。EPC9002 開發(fā)板的初始熱性能結(jié)果顯示PCB過熱，這是由于所選輸出電感器的損耗進入了PCB導致的。因此，可通過提高電感器與電路板的距離來降低電路板的溫度。滿載時的峰值電感溫度可達90℃。可以通過計算滿載功率損失、PCB溫度和估計元件損耗來估計結(jié)溫和熱功率流。熱性能圖像和等效熱網(wǎng)絡圖見圖7、圖8。